Una delle caratteristiche rivoluzionarie della tecnica Selective Laser Melting (SLM ^TM) è rappresentata dalla possibilità di processare materiali notoriamente complessi da utilizzare con altre tecniche produttive, grazie ai diversi meccanismi di fusione e modellazione della lega impiegati nel processo di stampa 3D diretta in metallo. Nell’ambito delle leghe preziose questo aspetto si rivela particolarmente interessante nella fabbricazione di gioielli di platino, elemento notoriamente problematico da utilizzare in fase produttiva per le sue proprietà, tra cui l’elevata temperatura di fusione delle leghe commercialmente disponibili ad oggi e l’elevata reattività con i materiali con cui viene a contatto. Questi attributi del platino causano costi produttivi più elevati, la necessità di utilizzo di forni specifici e l'incidenza di frequenti difetti nei prodotti di gioielleria che ne derivano. La valutazione della reale portata rivoluzionaria dell’utilizzo della tecnica SLM^TM nella realizzazione di gioielli in platino è stata effettuata attraverso un confronto tra la tecnica SLM^TM e  le tecniche tradizionali di produzione, considerando non solo gli aspetti tecnici ma soprattutto i risvolti economici/finanziari di impatto nella filiera produttiva, allo scopo di comprendere se e quanto l’introduzione della tecnica SLM^TM costituisca una miglioria nel campo della fabbricazione di gioielli in platino.

Il successo produttivo della microfusione a cera persa non dipende soltanto dai parametri di processo dei sistemi di colata, ma anche dalla composizione chimica della lega, la quale influenza fortemente il suo comportamento allo stato liquido, oltre alle sue potenziali transizioni di fase allo stato solido, che ne alterano le proprietà meccaniche. Le caratteristiche della lega allo stato liquido e la sua variazione di densità a seguito della solidificazione possono influenzare il grado di riempimento delle forme, la resa produttiva e la qualità dei manufatti. L’obiettivo di questa ricerca è una comprensione più profonda della relazione tra la composizione chimica, le principali caratteristiche termodinamiche e la colabilità di una lega in microfusione, al fine di creare uno strumento capace di prevedere a priori il suo comportamento tecnologico ed evitare dispendiosi processi di caratterizzazione. L’analisi della correlazione tra la composizione della lega e la sua colabilità è stata effettuata sia per mezzo di microfusioni classiche, sia mediante impiego di analisi termica differenziale (DSC), termogravimetria (TG) e dilatometria termica (DIL), a partire dalle leghe binarie più semplici fino alla formulazione definitiva più complessa di alcune leghe per oreficeria.

Come parte della quarta rivoluzione industriale, la stampa diretta di gioielli in metallo prezioso merita una continua analisi dello stato dell'arte per capire se e quando questa tecnica andrebbe sfruttata. Perché un gioielliere dovrebbe decidere di usare questa tecnica per la sua produzione? Più precisamente, i più pragmatici vorrebbero una risposta ad un'altra domanda: quando questa tecnica aggiunge valore rispetto alle tecniche classiche di fusione a cera persa? Negli ultimi anni il nostro percorso di ricerca ha incluso lo studio delle strategie di stampa, delle tecniche di supportazione e l'analisi più o meno profonda delle caratteristiche chimiche e fisiche delle polveri preziose impiegate. Con questo articolo guardiamo all'evoluzione tecnologica con un occhio più pratico e operativo, condividendo le nostre esperienze e dando un'onesta analisi dei pregi e dei difetti della stampa 3D diretta di gioielli. Questa dettagliata disamina dell'intero lavoro fatto da Progold sarà presentata attraverso l'occhio di chi tra i primi ha esclamato "WOW" al suo primo incontro con la stampa 3D e cercherà di definire quando e perché è conveniente stampare un gioiello.

La stampa diretta di metallo cambia le regole del gioco nella creazione di gioielli innovativi. La fusione selettiva laser (SLM™) permette ai ricercatori di diventare creative e di pensare a nuovi materiali. Questa ricerca mette alla prova prodotti nuovi e differenti, esplorando nuovi orizzonti per l'SLM™ utilizzando incredibili materiali per applicazioni orafe. La manifattura additiva effettuata tramite la fusion selettiva laser permette di avere l'opportunità di combinare materiali con proprietà profondamente diverse, in maniere altrimenti impossibili. Quali incredibili nuove possibilità ci aspettano mentre impariamo delle sorprendenti proprietà ottenute?

La tecnica SLM™ è attualmente una delle più attraenti e potenziali sostitute della microfusione a cera persa poichè permette la costruzione di oggetti di elevata complessità geometrica, leggerezza e portabilità, oltre alla possibilità di apportare vantaggi ambientali. Nelle precedenti sperimentazioni il miglioramento della qualità degli articoli è stato ottenuto sia mediante la selezione di opportuni parametri costruttivi, sia attraverso la messa a punto di leghe con maggiore assorbimento laser. L'obiettivo principale di questo lavoro è valutare l'accuratezza dimensionale degli articoli per gioielleria costruiti mediante la fusione selettiva laser e la possibilità di alleggerire gli oggetti mantenendo le adeguate caratteristiche di robustezza della struttura metallica utilizzando le migliori condizioni di lavoro per leghe metalliche in oro rosso ed in platino. L'accuratezza dimensionale è stata valutata attraverso la costruzione di una piattaforma metallica e di un anello con lavorazione pavé, analizzando la coerenza geometrica rispetto al disegno originale, la rugosità del profilo metallico, la compattezza e l'omogeneità dei dettagli decorativi e la qualità in funzione dell'orientazione sulla tavola di lavoro. Infine la deformabilità e la possibilità di ridurre la quantità di materiale prezioso sono state stimate mediante la costruzione di anelli con diversi gradi di svuotamento e con differenti strutture reticolari interne, sottoponendoli a diverse sollecitazioni meccaniche.

I risultati ottenuti in passato con le leghe d'oro per la fusione laser selettiva (SLM) hanno evidenziato il ruolo chiave non soltanto dei parametri di processo, ma anche della composizione chimica della polvere metallica nei confronti della qualità dei gioielli realizzati. Questo lavoro illustra l'effetto di alcuni elementi chimici selezionati per migliorare l'assorbimento della radiazione laser e favorire la fusione delle particelle metalliche. Inoltre, l'azione della struttura e morfologia dei supporti è stata esaminata al fine di garantire il più ridotto impatto sterico possibile e mantenere un'adeguata dissipazione termica dell'energia laser.

Questo lavoro è lo sviluppo dei risultati presentati al Santa Fe Symposium 2012. L'effetto delle variabili più rappresentative della tecnologia Selective Laser Melting (SLM) sulla qualità dei prodotti finali viene valutata mediante un approccio DOE (Design Of Experiments). Le variabili di processo prese in considerazione sono potenza del laser, velocità di scansione e spessore dello strato di polvere. Lo scopo di questo lavoro è anche quello di individuare le caratteristiche chimicofisiche della polvere che garantiscono i migliori risultati della tecnica SLM. Inoltre l'influenza della composizione chimica e la distribuzione granulometrica della polvere sulla porosità e sulla rugosità superficiale è stata specificatamente studiata. Questo lavoro descrive i progressi ottenuti con la tecnologia SLM nell'ultimo anno, mettendo in evidenzia l'importanza di ottimizzare i parametri di processo. Tutti i risultati presentati sono stati ottenuti utilizzando leghe preziose.

La reale possibilità di utilizzo della tecnologia Selective Laser Melting per la produzione di gioielli partendo da leghe in polvere è stata finalmente appurata e si è raggiunto lo standard qualitativo necessario. Per prendere possesso della tecnologia abbiamo programmato la realizzazione di una serie di campioni sulla quale è stato poi condotto uno studio sistematico. In particolare per la produzione di questi è stata impiegata una lega in polvere d’oro giallo 18kt in tre differenti intervalli granulometrici, i quali hanno rappresentato una delle variabili della nostra ricerca assieme alla potenza laser, la velocità di scansione e lo spessore dello strato di polvere. L’obiettivo è stato quello di ottenere dati significativi in termini di rugosità allo stato grezzo, di difettologia e di caratteristiche fisico-meccaniche. L’analisi è stata effettuata seguendo un approccio DOE (Design Of Experiments), per mettere in evidenza non solo l’effetto delle singole variabili ma anche dell’interazione tra le stesse. Infine abbiamo posto in relazione i risultati ottenuti con quelli derivanti da campioni prodotti con la tecnica a cera persa.

I dati riguardanti la caratterizzazione delle leghe d’oro in 18 carati sono stati presentati da Progold durante il Santa Fe Symposium del 2010. In questa relazione discuteremo le proprietà fisiche e chimiche delle leghe in oro rosso, giallo e bianco in 14 carati. Come con le leghe in oro 18 carati, la conoscenza delle proprietà delle leghe ci consente di scegliere la composizione più adatta per ogni particolare processo di produzione. Il colore è fondamentale per la selezione di una lega d’oro, ma come ottenere il colore desiderato e le proprietà di lavoro favorevoli è un problema. In questa relazione analizziamo quanto le piccole aggiunte di qualche elemento possano migliorare alcune importanti caratteristiche nel ciclo di produzione. L’obiettivo è quello di correlare le caratteristiche di ogni lega con la propria composizione chimica in modo da poter scegliere la miglior lega in oro 14 carati per ogni uso. I metodi e le prove usati per raccogliere i dati non vengono presentati qui in quanto sono gli stessi usati per le leghe in oro 18 carati e riportati nei Procedimenti del Santa Fe Symposium 2010.

La conoscenza delle proprietà delle leghe d’oro permette di ottenere delle preziose informazioni per la scelta della composizione più adatta al particolare processo produttivo applicato. Chiaramente, nel caso di leghe d’oro, il colore gioca un ruolo fondamentale nella scelta della composizione utilizzabile, ma comunque piccole aggiunte di alcuni elementi possono aiutare a migliorare alcune caratteristiche importanti nel ciclo produttivo utilizzato. Partendo da queste considerazioni si è deciso di determinare le proprietà chimiche e fisiche di numerose leghe d’oro in 9,10,14 e 18ct. Lo scopo del presente lavoro è quello di correlare le caratteristiche di ogni lega con la sua composizione chimica in modo tale da scegliere la lega d’oro che presenti la migliore soluzione per le diverse applicazioni pratiche. Per raggiungere lo scopo prefissato si è dovuto fare anche uno sforzo di messa a punto di metodi di indagine delle proprietà delle leghe preziose (o meglio di perfezionamento di metodi già esistenti in altri settori) che permettano di ottenere i dati necessari tenendo presente che comunque si sta lavorando con un materiale molto costoso.

L’hot tearing è la formazione di una frattura in una fusione di metallo durante la solidificazione, come risultato di una contrazione ostacolata. In questo lavoro è stata valutata la criccabilità a caldo di diverse leghe d’argento a titolo 925‰. Esistono numerosi studi sulla suscettibilità della criccatura a caldo per leghe da fonderia, mentre non si è trovata nessuna informazione riguardo alle leghe preziose. In particolar modo si è sentita la necessità di effettuare una caratterizzazione nelle leghe d’argento 925‰, più sensibili a tale problematica (secondo la nostra esperienza). Si è preso come riferimento una lega Ag-Cu 925‰ classica e si sono valutati gli effetti di aggiunte di vari metalli. Si è messo a confronto il diverso comportamento di leghe binarie, ternarie e quaternarie con e senza piccole aggiunte di elementi quali disossidanti oppure affinatori del grano. Si è eseguita inoltre un’analisi metallurgica delle zone criccate, cercando di correlare il comportamento evidenziato della lega con la sua microstruttura. Questo lavoro si inserisce all’interno di un’ampia ricerca volta ad ottenere delle leghe per argento con elevata resistenza al tarnish che presentino una ridotta tendenza alle rotture a caldo.

Nella comune pratica quotidiana l’orafo è continuamente alle prese con problematiche di ogni genere. Molto spesso ci si imbatte in difetti occasionali molto difficili da inquadrare correttamente. Questo comporta perdite di tempo e tentativi vani alla ricerca della giusta soluzione. Si è preso spunto dalla consistente mole di analisi in merito, raccolte in 10 anni di attività, per realizzare un lavoro che si concentrasse solo su quei difetti di difficile interpretazione con le comuni risorse presenti in un tipico laboratorio orafo, quali gli “hard spots”. La nostra esperienza ci porta ad affermare che la definizione di “hard spots” identifica un difetto che pur presentando il medesimo aspetto (osservandolo ad occhio nudo o a piccoli ingrandimenti) è in realtà conseguenza di differenti cause. Sulla base di tali considerazioni si è realizzata una classificazione dettagliata delle varie famiglie di “hard spots” fornendo anche una serie di cause e di possibili soluzioni.

La conoscenza e gli attuali metodi di analisi riguardo al fenomeno dell’annerimento dell’argento non garantiscono l’ottenimento di valutazioni misurabili del fenomeno stesso. Attualmente, tutti i test ufficiali non sono in grado di dimostrare con certezza cosa accade realmente e, in particolare, non riescono a fornire dei dati oggettivi. Infatti, questi test sono sempre eseguiti utilizzando un campione parallelo di riferimento e quindi forniscono solamente dati visibili ed empirici. Inoltre, si suppone che quando avviene un minimo cambiamento nelle condizioni del test, i risultati dello stesso vengono completamente distorti. Seguendo un metodo più scientifico questo saggio indagherà approfonditamente nella nostra conoscenza delle interazioni chimiche che provocano il fenomeno dell’annerimento dell’argento. Lo scopo è quello di ottenere dati più affidabili e ripetibili.

Con il termine 'punti duri' si intendono degli inestetismi che compaiono sulla superficie del pezzo dopo la lucidatura finale. Si tratta di punti in rilevo molto duri che la finitura meccanica finale non riesce ad eliminare, anzi mette ancora più in evidenza. Infatti insistendo con la lucidatura nella zona del punto duro, viene asportato materiale solo attorno al difetto, in quanto molto più tenero. Il risultato è quello di avere dei puntini in rilievo ben visibili ad occhio nudo. Il problema è che tali difetti, nella maggior parte dei casi, risultano individuabili solo dopo lucidatura. Così, oltre al danno dovuto all’eliminazione del pezzo, ci si rimette anche tutto il tempo necessario per la produzione e la finitura dell’oggetto. Le cause scatenanti di questo tipo di difetto sono molteplici. In questo lavoro sono state analizzate e riportate le più comuni origini della formazione di punti duri. Una delle principali cause sicuramente risulta essere la presenza di impurezze nelle materie prime. Quando si producono oggetti in oro, tutti (produttori ed utenti finali) prestano molta attenzione al contenuto in oro, in particolare che il contenuto d’oro corrisponda al marchio applicato, mentre nessuno presta attenzione alle impurezze, cioè ciò che non è oro e che non è volontariamente aggiunto nè nel lingotto di oro puro nè nella madrelega. Tali impurezze possono avere delle conseguenze gravi sulla qualità degli oggetti prodotti, come ad esempio la formazione di punti duri.

L’esperienza ha dimostrato che la composizione (e il titolo) di getti di leghe auree può essere omogenea solo se nella preparazione della lega vengono rispettati alcuni accorgimenti. Quando non il produttore non applica le migliori tecniche nella preparazione del materiale, vi è la possibilità di ottenere getti non omogenei, che danno origine ad oggetti che non rispettano il titolo dichiarato. In questo lavoro si è dunque presa in considerazione l’omogeneità di getti (sia in microfusione che in colata in staffa) realizzati con diverse modalità, ad esempio con e senza prefusione. Il test è stato condotto utilizzando leghe di diversa caratura e colore. Dai test condotti è risultato evidente che la pratica della prefusione garantisce una maggiore omogeneità composizionale in tutte le zone di un getto.

E’ risaputo che nel colaggio a cera persa il silicio permette di ottenere un maggiore riempimento ed oggetti completamente disossidati. Fino ad ora si è ritenuto che il silicio, da solo come elemento oppure come SiO2, giustifichi l’aspetto disossidato dell’albero di fusione ed i buoni risultati relativi al riempimento. Analisi preliminari hanno suggerito che esso causa la formazione, in fase liquida, di un composto che si comporta come una pellicola con elevata tensione superficiale. Questo composto si porta all’esterno della massa fusa ostacolando l’evaporazione dello zinco e di ogni altro metallo che abbia una temperatura di evaporazione inferiore a quella del bagno fuso. Nel caso del casting riduce al minimo il contatto diretto dei metalli costituenti la lega con il refrattario, ma non si esclude la sua reazione con il solfato di calcio e/o con i prodotti della sua decomposizione (ossigeno e anidride solforosa). Si presume che sia ridotta al minimo la reazione dei gas prodotti dalla decomposizione del solfato di calcio con i metalli costituenti la lega e che la pellicola del composto, esente da ossidi e solfuri, favorisca lo scorrimento del metallo fuso lungo il refrattario massimizzando il riempimento.

Le leghe tradizionali a 22ct gialle (Au-Ag-Cu-Zn) permettono di ottenere prodotti con bassa durezza (circa 70-80 HV) e non induribili mediante trattamento termico. I bassi valori di durezza comportano l’ottenimento di oggetti facilmente deformabili sia durante il ciclo produttivo sia come prodotto finito (facilità di rottura e di ammaccamenti durante l’utilizzo quotidiano). La possibilità di disporre di una lega a 22ct indurente, dopo idoneo trattamento termico, garantisce dei vantaggi sia in termini pratici che economici. Infatti oltre alla possibilità di essere lavorate più facilmente (più resistenti alle ammaccature) possono essere introdotti dei processi altrimenti esclusi come ad esempio i trattamenti di finitura meccanica ed a spazzole con l’ottenimento di una elevata brillantezza. Pertanto con lo scopo di indurire una lega a 22ct sono state analizzate varie composizioni, riuscendo a determinare una formulazione che garantisce una durezza doppia rispetto alle attuali disponibili (fino a 170 HV).

La definizione del colore della superficie di un prodotto finito di una lega d’oro è in genere molto difficile, ed ha senso solo se riferita ad una serie di campioni presi come termine di paragone. L’organizzazione svizzera "Normes Industrielles de l’Horlogerie Suisse" per prima stabilì nel 1966 una serie di composizioni standard di oro legato 18 K denominate con i codici 2N, 3N, 4N, 5N. Di seguito anche l’industria orafa francese e tedesca (con qualche modifica) si sono adeguate a questi standard fino alla produzione della Normativa Europea EN 28654. Tale normativa è l’adozione della ISO 8654.

Sono state comparate leghe a 14 carati di diversa composizione di colore rosso per microfusione. La lega di base e di riferimento ha la composizione Au585 - Ag80 - Cu335 ed è utilizzata particolarmente in Russia. Partendo da questa, sono state formulate e realizzate diverse leghe con l’aggiunta di altri elementi quali Zinco, Gallio, Silicio, Iridio in diverse quantità e in diverse combinazioni, ma in modo da mantenere un colore comparabile a quello della lega di riferimento. Le diverse leghe sono state esaminate caratterizzandone gli aspetti di maggiore importanza nella microfusione, ossia i difetti da ritiro e da gas, la dimensione del grano cristallino, la capacità di riempimento, la temperatura di fusione e la resistenza all’ossidazione.

E’ noto che i metalli, dopo essere stati deformati a freddo, possono essere addolciti con una ricottura alla giusta temperatura. Il principale processo responsabile di questo è la ricottura, nella quale vi è la generazione di nuovi grani nella struttura del metallo. Per determinare le giuste condizioni di ricottura è stata misurata la durezza dopo ricottura a varie temperature e in tempi diversi. E’ stata anche determinata la dimensione media del grano. In questo lavoro sono stati confrontanti questi due metodi tradizionali con un l’analisi termica differenziale. Lo scopo di tale lavoro è quello di determinare la possibilità di un metodo alternativo per ottenere le correte condizioni di ricottura, prendendo come riferimento i metodi tradizionali (analisi delle durezze e della dimensione media del grano).

Gran parte della storia dell’essere umano, con la nascita delle civiltà, può essere descritta anche attraverso il progresso dei processi produttivi, diventati via via sempre più complessi. A questo hanno sicuramente contribuito la scoperta, poi la ricerca e la messa a punto di tecniche di sfruttamento di nuove risorse. In altri termini la storia dell’essere umano può essere scritta anche come la storia dello sfruttamento delle risorse minerarie e in particolare dei metalli. Le caratteristiche di lucentezza, facilità di lavorazione, inossidabilità e inalterabilità, hanno permesso all’Oro di ritagliarsi un ruolo speciale nella storia rispetto agli altri metalli presenti in natura. Negli anni, il suo impiego si è esteso in diversi ambiti: ad esempio in campo monetario è considerato tuttora un bene di riserva; in campo tecnologico, grazie alla sua buona capacità di condurre elettricità e alla sua inossidabilità è molto usato in elettronica; infine, è impiegato anche in campo medico grazie alla sua inerzia chimica e ai bassi rischi per la salute umana. Ma il settore in cui l’Oro ha da sempre un ruolo predominante è quello della produzione di oggetti preziosi. Sin dal 5000 a.C. infatti, la capacità di mantenersi splendente senza mai perdere la sua lucentezza, le particolari caratteristiche di malleabilità e le apprezzate tonalità cromatiche, hanno reso l’Oro il materiale nobile principalmente utilizzato nella produzione di gioielleria. L’intento principale nel mondo orafo, è da sempre quello di raggiungere la perfezione estetica, producendo oggetti che siano un connubio tra bellezza e qualità. Come accade in tutti i processi produttivi però, anche nella produzione delle leghe auree si può avere la comparsa di difetti che portano allo scarto del prodotto o all’insoddisfazione del consumatore. Mai come in questo campo quindi, è importante conoscere ed evitare i difetti. La procedura corretta quando compare un problema, è quella di analizzarlo al fine di prendere provvedimenti per eliminarne le cause e prevenirne la ricomparsa. Questo è possibile solo se il difetto è ben identificato e le sue cause sono riconosciute. Con questo lavoro si cerca di raccogliere in un unico manuale tutte le nozioni riguardanti le tipologie di difetti che possono presentarsi nella produzione di gioielleria.

L’aspetto metallurgico nei processi orafi è stato, soprattutto nel passato, trascurato, a favore di una maggiore attenzione degli artigiani agli aspetti estetici e stilistici delle loro creazioni. Questo comporta quindi un approccio empirico e orientato alla minimizzazione dei costi nella preparazione dei getti, piuttosto che un approccio conscio di tutte le problematiche di un processo di fonderia e delle loro possibili soluzioni. E’ necessario ricordare che la gran parte dei difetti presenti, infatti, è legata ad una sommaria progettazione dell’alimentazione, la quale è finalizzata a risparmiare risorse piuttosto che all’ottenimento di un oggetto privo di difetti. Nella preparazione di un getto, invece, si dovrebbe tenere conto di tutta una serie di aspetti cinetici, fluidodinamici e termodinamici che condizionano e caratterizzano le fasi di riempimento dello stampo e di solidificazione del fuso. Queste due fasi infatti sono fondamentali nell’economia globale del processo di microfusione e la loro corretta esecuzione garantisce la qualità finale degli oggetti microfusi.

Fra le tecniche di saldatura delle catene prodotte a macchina l’utilizzo del laser sta assumendo sempre maggiore importanza in questi ultimi anni. Questo lavoro si propone di esaminare le catene prodotte a macchina e saldate con la tecnica laser sotto vari aspetti. A tale scopo sono state esaminate diverse condizioni operative di saldatura (potenza, tempo, tipo di atmosfera etc…) di catene di varie composizioni, in modo tale da definire come la saldatura sia influenzata dai vari parametri (composizione lega, conformazione fisica del filo, parametri della macchina laser etc.).